CN101177744A - 一种铝基复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种铝基复合材料的制备方法，其中，该方法包括将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合均匀，然后降温至500－600℃反应，再升温使上述混合物至熔融状态继续反应，除去副产物，得到铝基复合材料前体，使所述铝基复合材料前体维持在熔融状态，并将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。由采用本发明提供的方法得到的铝基复合材料压铸成型得到的制品抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率以及弹性模量等参数均较高，说明采用本发明的方法得到的铝基复合材料制得的制品的力学性能良好，使采用本发明的方法得到的铝基复合材料特别适合用于制造汽车制动盘。

Description

一种铝基复合材料的制备方法

技术领域

本发明是关于一种复合材料的制备方法，更具体地说，是关于一种铝基复合材料的制备方法。

背景技术

铝基复合材料具有比强度、比模量高，耐高温、耐磨损以及热膨胀系数小、尺寸稳定等优异的物理性能和力学性能，在航空航天、军事国防领域以及汽车、电子仪表等行业中有着广泛的应用。

随着能源紧缺及车辆速度的不断提高，以减重节能为目的的车辆轻量化技术开发备受关注。与传统钢铁材料相比，颗粒增强铝基复合材料因为具有较高的比强度、比刚度，良好的热稳定性和耐磨性，很适合用来制作汽车和高速列车制动系统及制动盘。制动器是车辆的关键部件之一，其性能的好坏直接影响整车性能的优劣，因此，制动器的设计在整车设计中显得相当重要。作为汽车安全行驶重要保证的摩擦制动器的产生与发展始终与汽车技术相生相伴，随着人们生活理念和汽车技术的不断发展，摩擦制动器从结构到组成摩擦副的材料都发生了巨大的变化。制动盘所选用的材料对制动效果影响较大，制动盘的不同材质、结构、金相组织都会对摩擦副的摩擦性能产生较大的影响。目前，绝大多数的汽车制动盘(鼓)仍采用铸铁，其主要缺陷是密度大，这不利于减轻车重；二是导热性差，其工作表面温度很高且温度梯度大，易形成热点而产生热烈。所以，世界各国都在对制动盘材料进行研发，如颗粒增强铝基复合材料，以使制备得到的制动盘不仅减重节能，而且可减少刹车过程中的振动和噪音，缩短刹车距离，提高制动效果。

CN1740354A公开了一种原位颗粒增强耐高温铝基复合材料的制备方法，采用该方法得到的原位颗粒增强耐高温铝基复合材料的组分及重量百分比为：11-13％Si，0.5-1.5％Mg，0.8-1.3％Cu，0.8-1.5％Ni，1-20％TiB₂，余量为Al；该制备方法包括以下步骤：

(1)在坩锅中加入ZL102合金和Al-Si中间合金或工业纯铝，熔化后升温，用覆盖剂覆盖，覆盖剂采用铝合金精练无钠覆盖剂；

(2)将KBF₄和KTiF₆均匀混合，烘干后加入熔体中，进行机械搅拌；

(3)反应结束后，取出副产物，加入工业纯Mg、Al-Ni和Al-Cu中间合金，扒去浮渣，抽真空静置；

(4)装配中隔板，升液管，模具，低压成型。

CN1492066A公开了一种汽车制动盘用复合材料，其特征在于，该材料是以在铸造凝固中原位生成的Mg₂Si增强颗粒弥散分布在含有Si、Gu的铝合金基体中而组成，其组分重量百分比含量为：Mg₂Si15-35％、Si1-15％、Gu1-5％、Al余量。

该汽车制动盘用复合材料的制备方法包括以下工艺过程：

a)以工业纯镁、纯铜、重量百分比为Al-20％Si中间合金为原料，按如下重量百分比配料后熔化：Gu1-5％、Mg9-23％、余量为Al-20％中间合金，熔化温度为680-900℃；

b)熔化后加入占上述合金总重量百分比为1-5％的覆盖剂；

c)调整温度在690-720℃加入占上述合金总重量百分比为9-23％的工业纯镁至熔化并温度均匀；

d)加入占上述合金总重量百分比为1-2％的精练剂，保温5-10分钟；

e)加入占上述合金总重量百分比为0.005-3％的变质剂，保温5分钟以上；

f)按普通铸造工艺浇注成型。

采用上述方法制备得到的铝基复合材料中增强相颗粒与基体材料的界面结合性不好导致得到的复合材料在压铸成型后得到的制品的力学性能不理想，制品的抗拉强度和弹性模量较差。

发明内容

本发明的目的是克服将由现有制备方法得到的铝基复合材料压铸成型后得到制品的力学性能不理想的缺点，提供一种使压铸成型得到的制品具有良好力学性能的铝基复合材料的制备方法。

本发明提供了一种铝基复合材料的制备方法，其中，该方法包括将熔融态的铝与KFB₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合均匀，然后降温至500-600℃反应，再升温使上述混合物至熔融状态继续反应，除去副产物，得到铝基复合材料前体，使所述铝基复合材料前体维持在熔融状态，并将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。

由采用本发明提供的方法得到的铝基复合材料压铸成型得到的制品的抗拉强度、屈服强度、断裂伸长率以及弹性模量等参数均较高，说明采用本发明的方法得到的铝基复合材料制得的制品的力学性能良好，使采用本发明的方法得到的铝基复合材料特别适合用于制造汽车制动盘。

具体实施方式

按照本发明提供的方法，该方法包括将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合，然后降温至500-600℃反应，再升温使上述混合物至熔融状态继续反应，除去副产物，得到铝基复合材料前体，使所述铝基复合材料前体维持在熔融状态，并将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。

升温使铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的混合物至熔融状态指铝、KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒均处于熔融状态。所述熔融状态的温度为1200-1800℃，优选为1200-1600℃。

优选情况下，将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合的方法包括，在搅拌下，将KBF₄、K₂TiF₆粉末和SiC颗粒均匀地喷吹到熔融态铝中，借助搅拌的剪切力将KBF₄、K₂TiF₆粉末和SiC颗粒与熔融态的铝充分混合均匀，以保证KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒能均匀的分布在铝基复合材料中。

为了改善SiC颗粒的流动性，使SiC颗粒与铝基更好的混合，优选情况下，在将SiC颗粒与熔融态的铝混合之前，先将SiC颗粒预热，所述预热的方法可以采用本领域常规的方法，如将SiC颗粒加热至温度为600-700℃，并保温1-2.5小时。预热后的SiC颗粒，其表面吸附的气体、水分和杂质等已经被除去，表面活性得到提高，因此，流动性得到改善，而更容易与熔融态的铝混合均匀。

所述铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的加料重量比为1∶0.02-1.2∶0.02-1.2∶0.1-0.5，优选为1∶0.05-1∶0.05-1∶0.15-0.4。

按照本发明的方法，为了防止熔融态铝被氧化，优选情况下，所述将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合在惰性气体中进行，所述惰性气体指不与反应物和产物发生化学反应的任意一种气体或气体混合物，如氮气、元素周期表零族气体中的一种或几种，优选为氩气、氮气和氦气中的一种或几种。

为了借助搅拌的剪切力将KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒与熔融态的铝充分混合，所述搅拌优选在高速搅拌下进行，搅拌速度优选为500-800转/分钟。

所述铝与镁、铜的加料重量比为1∶0.01-0.08∶0.02-0.1。

为了进一步提高铝基复合材料的力学性能，优选情况下，该方法还包括将熔融态的铝基复合材料前体与硅和/或镍混合，所述将熔融态的铝基复合材料前体与硅和/或镍的混合可以在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合的同时、之前或之后进行，优选在将熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合的同时，将熔融态的铝基复合材料前体与硅和/或镍混合。所述铝与硅、镍的加料重量比为1∶0-0.2∶0-0.2。

按照本发明，将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合均匀后，将铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的反应温度降为500-600℃的目的是使得到的铝基复合材料具有好的力学性能。由于基体铝的半固态温度为565℃，在550-570℃，接近基体铝的半固态温度下反应，能够使得到的铝基复合材料具有更好的力学性能；还可以在由该材料压铸成型时，减少常规压铸件固有的皮下气孔和疏松等缺陷，提高铸件质量，增加模具寿命，因此，优选使所述铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的反应温度降为550-570℃反应。所述在500-600℃，优选在550-570℃下进行反应的时间可以为大于1分钟，反应时间超过60分钟后，得到的铝基复合材料的性能已经没有明显的变化，因此在500-600℃，优选550-570℃下进行反应的时间优选为5-60分钟。

将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的混合物置于500-600℃反应完成后，将该混合物升温至熔融状态继续反应的目的是为了使反应更加彻底。在反应混合物的熔融状态下反应的时间可以为大于1分钟，反应时间超过10分钟后，得到的铝基复合材料的性能已经没有明显的变化，因此在混合物的熔融状态下进行反应的时间优选为5-10分钟。

在反应过程中，生成的副产物包括反应过程中生成的钾盐和Al₂O₃氧化夹杂物等副产物，除去所述副产物的方法为本领域技术人员所公知，一般来说，除去所述副产物的方法包括在将铝基复合材料前体与镁、铜混合前，在铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的混合熔融物中加入精练剂和/或通入惰性气体。

所述精练剂的种类和加入量为本领域技术人员所公知，如，所述精练剂可以选自KCl、NaCl、NaSiF₆、Na₃AlF₆中的一种或几种，所述精练剂的加入量与铝、KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的总加入量的重量比为0.01-0.05∶1。

加入惰性气体可以使熔融物产生气泡，借助这些气泡在上浮过程中能够吸附Al₂O₃夹杂物，使之上浮到混合物表面的熔渣中，将熔渣打捞出来的同时就去除了副产物。此外，惰性气体还能够在上浮的过程中吸附反应生成的氢，并逸入大气中，从而降低了混合物中氢的浓度。所述惰性气体可以通过导管通入混合物内，如石墨导管。所述惰性气体的种类和加入量为本领域技术人员所公知，选自既不溶于熔融物，又不与熔融物和氢气反应的气体，如氮气、元素周期表零族气体中的一种或几种。

将铝基复合材料压铸成型的方法为本领域技术人员所公知，如，所述成型方法可以采用低压成型或高压成型，本发明优选采用高压成型的方法对铝基复合材料进行压铸成型。所述高压成型的方法包括将压铸模预热至200-300℃，然后将熔融态的铝基复合材料浇入压铸模的腔室中，对铝基复合材料进行加压压铸充型，所述充型压力为60-110兆帕，维持最高压力5-15秒钟，使得到的制品完全凝固后完成该压铸操作，得到由所述铝基复合材料压制成型后得到的制品。

下面将通过具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例说明本发明提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入80克工业纯铝，使铝熔融，然后，在氮气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将4克KBF₄粉末、4克K₂TiF₆粉末和30克经过650℃预热的α-碳化硅颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得，颗粒直径1000纳米)均匀地喷吹到熔融铝中，与熔融的铝充分混合，然后，降温至565℃，在氮气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下反应30分钟后停止搅拌，再升温将上述混合物至熔融状态(1200℃)，反应8分钟，然后加入2克精练剂NaSiF₆，并搅拌除去副产物后得到铝基复合材料前体，将该铝基复合材料前体继续维持在熔融状态(1200℃)，并向该熔融态的铝基复合材料前体中加入1.2克工业纯Mg、2.4克Cu，搅拌混合均匀，除去浮渣，得到铝基复合材料。

将制动盘金属型压铸模预热到200℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力5秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制动盘A1。压铸成型后，对该制品A1进行T6热处理。

实施例2

本实施例说明本发明提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入80克工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在600转/分钟的搅拌速度下，将14克KBF₄粉末、12克K₂TiF₆粉末和24克经过650℃预热的α-碳化硅颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得，颗粒直径1000纳米)均匀地喷吹到熔融铝中，与熔融的铝充分混合，然后，降温至560℃，在氮气保护下，并在600转/分钟的搅拌速度下反应30分钟后停止搅拌，再升温将上述混合物至熔融状态(1300℃)，反应5分钟，然后加入2克精练剂NaCl，并搅拌除去副产物后得到铝基复合材料前体，将该铝基复合材料前体继续维持在熔融状态(1300℃)，并向该熔融态的铝基复合材料前体中加入1.6克Mg、3.2克Cu、1.2克硅和0.6克镍，搅拌混合均匀，除去浮渣，得到铝基复合材料。

将制动盘金属型压铸模预热到250℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力10秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制动盘A2。压铸成型后，对该制品A2进行T6热处理。

实施例3

本实施例说明本发明提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入80克工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将30克KBF₄粉末、35克K₂TiF₆粉末和16克经过650℃预热的α-碳化硅颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得，颗粒直径1000纳米)均匀地喷吹到熔融铝中，与熔融的铝充分混合，然后，降温至565℃，在氮气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下反应50分钟后停止搅拌，再升温将上述混合物至熔融状态(1400℃)，反应10分钟，然后加入2克精练剂NaCl和2克精练剂Na₃AlF₆，并搅拌除去副产物后得到铝基复合材料前体，将该铝基复合材料前体继续维持在熔融状态(1400℃)，并向该熔融态的铝基复合材料前体中加入3.2克Mg、4克Cu和9克硅，搅拌混合均匀，除去浮渣，得到铝基复合材料。

将制动盘金属型压铸模预热到200℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力15秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制动盘A3。压铸成型后，对该制品A3进行T6热处理。

实施例4

本实施例说明本发明提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入80克工业纯铝，使铝熔融，然后，在氦气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将60克KBF₄粉末、56克K₂TiF₆粉末和12克经过650℃预热的α-碳化硅颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得，颗粒直径1000纳米)均匀地喷吹到熔融铝中，与熔融的铝充分混合，然后，降温至565℃，在氦气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下反应25分钟后停止搅拌，再升温将上述混合物至熔融状态(1550℃)，反应10分钟，然后加入3克精练剂NaCl和3克精练剂Na₃AlF₆，同时向熔融混合物内通入氮气并搅拌除去副产物后得到铝基复合材料前体，将该铝基复合材料前体继续维持在熔融状态(1550℃)，并向该熔融态的铝基复合材料前体中加入4克Mg、5.6克Cu和1克镍，搅拌混合均匀，除去浮渣，得到铝基复合材料。

将制动盘金属型压铸模预热到240℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力15秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制动盘A4。压铸成型后，对该制品A4进行T6热处理。

实施例5

本实施例说明本发明提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

在720℃下，向电阻炉中加入80克工业纯铝，使铝熔融，然后，在氩气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下，将65克KBF₄粉末、60克K₂TiF₆粉末和15克经过650℃预热的α-碳化硅颗粒(潍坊邦德特种材料有限公司购得，颗粒直径1000纳米)均匀地喷吹到熔融铝中，与熔融的铝充分混合，然后，降温至565℃，在氩气保护下，并在650转/分钟的搅拌速度下反应25分钟后停止搅拌，再升温将上述混合物至熔融状态(1580℃)，反应10分钟，然后加入4克精练剂Na₃AlF₆，同时向熔融混合物内通入氮气并搅拌除去副产物后得到铝基复合材料前体，将该铝基复合材料前体继续维持在熔融状态(1580℃)，并向该熔融态的铝基复合材料前体中加入4.8克Mg、7克Cu、3克硅和1.2克镍，搅拌混合均匀，除去浮渣，得到铝基复合材料。

将制动盘金属型压铸模预热到240℃，设定压铸工艺参数，所述工艺参数包括二块位置设为280±30毫米，一块位置设为130±30毫米，开模时间为4.5±2秒，顶出延时为4.0±2秒，增压速度为4.0±2圈，然后关闭型腔，浇入上述得到的铝基复合材料熔体，加压压铸充型，直至挤压压力达到110兆帕的最高压力，维持最高压铸压力15秒，待复合材料铸件完全凝固，得到本发明提供的制动盘A5。压铸成型后，对该制品A5进行T6热处理。

对比例1

本对比例说明现有技术提供的铝基复合材料和制品的制备方法。

按照CN1740354A实施例1公开的方法制备铝基复合材料，并按照本发明实施例1方法中的压铸参数压铸上述铝基复合材料，得到参比制品制动盘B1。压铸成型后，对制品B1进行T6热处理。

实施例6-10

本组实施例说明本发明提供的制品的性能。

对实施例1-5制备的制品A1-A5进行各项性能测试，测试方法如下：

用国标GBT 228标准在万能材料实验机(新叁思计量技术有限公司，CMT5205)上测定制品的拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率、弹性模量和布氏硬度，测试结果示于下表1。

对比例2

本对比例说明现有技术提供的制品的性能。

对对比例1制备的制品B1进行各项性能测试，测试方法如下：

用国标GBT 228标准在万能材料实验机(新叁思计量技术有限公司，CMT5205)上测定制品的拉伸强度、屈服强度、断裂伸长率、弹性模量和布氏硬度，测试结果示于下表1。

表1

实施例编号	制品编号	抗拉强度(兆帕)	屈服强度(兆帕)	断裂伸长率(％)	弹性模量(千兆帕)	布氏硬度(HB)
							实施例6	A1	482	321	5.0	101	147
实施例7	A2	519	401	5.9	113	169
							实施例8	A3	490	345	5.6	104	171
实施例9	A4	501	353	5.7	109	172
							实施例10	A5	523	405	6.1	114	173
对比例2	B1	352	303	3.3	82	118

由上表1可以看出，相对于现有技术的铝基复合材料压铸成型得到的制品B1，本发明的铝基复合材料压铸成型得到的制品A1-A5的抗拉强度提高了36.9-48.6％，屈服强度提高了5.9-33.6％，断裂伸长率增加了51.5-84.8％，弹性模量提高了23.2-39％，布氏硬度提高了24.6-46.6％，可见采用本发明提供的方法得到的铝基复合材料压铸成型得到的制品的力学性能良好且得到了显著的改善。

Claims (8)

1.一种铝基复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括将熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合均匀，然后降温至500-600℃反应，再升温使上述混合物至熔融状态继续反应，除去副产物，得到铝基复合材料前体，使所述铝基复合材料前体维持在熔融状态，并将该熔融态的铝基复合材料前体与镁、铜混合。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒混合的方法包括在搅拌下，将KBF₄、K₂TiF₆粉末和SiC颗粒均匀地喷吹到熔融态铝中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述熔融态的铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的混合在惰性气体中进行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的加料重量比为1∶0.02-1.2∶0.02-1.2∶0.1-0.5。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝与镁、铜的加料重量比为1∶0.01-0.08∶0.02-0.1。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，该方法还包括将熔融态的铝基复合材料前体与硅和/或镍混合。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铝与硅、镍的加料重量比为1∶0-0.2∶0-0.2。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述除去副产物的方法包括在将得到的铝基复合材料前体与镁、铜混合前，向铝与KBF₄、K₂TiF₆和SiC颗粒的混合熔融物中加入精练剂和/或通入惰性气体。